Мышечный гидростат - Muscular hydrostat

В язык это мышечный гидростат.

А мышечный гидростат это биологическая структура, обнаруженная в животные. Он используется для манипулирования предметами (включая пищу) или для перемещения своего хозяина и состоит в основном из мышцы без скелетный поддерживать. Он выполняет свои гидравлический движение без жидкость в отдельном отсеке, как в гидростатический каркас.

Мышечный гидростат, как и гидростатический скелет, основан на том факте, что воды эффективно несжимаемый в физиологический давления. В отличие от гидростатического скелета, где мышца окружает полость, заполненную жидкостью, мышечный гидростат состоит в основном из мышечной ткани. Поскольку сама мышечная ткань в основном состоит из воды и также является несжимаемой, применимы аналогичные принципы.

Мышечная анатомия

Крупным планом ствола Азиатский слон

Мышцы обеспечивают силу для движения мышечного гидростата. Поскольку мышцы способны создавать силу только за счет сокращения и сокращения, разные группы мышц должны работать друг против друга, при этом одна группа расслабляется и удлиняется, тогда как другая группа обеспечивает силу путем сокращения. Такие дополнительные группы мышц называются мышцы-антагонисты.

Мышечные волокна в мышечном гидростате ориентированы в трех направлениях: параллельно длинной оси, перпендикулярно длинной оси и наклонно обернуты вокруг длинной оси.[1][2]

Мышцы, параллельные длинной оси, располагаются в продольных пучках. Чем более периферически они расположены, тем возможны более сложные изгибающие движения. Более периферийное распространение находится в млекопитающее языки осьминог руки, наутилус щупальца и слон хоботки. Языки, приспособленные для выступа, обычно имеют центрально расположенные продольные волокна. Они находятся в змея языки, многие ящерица языки и млекопитающие муравьеды.

Мышцы, перпендикулярные длинной оси, могут иметь поперечный, круговой или радиальный узор. Поперечное расположение включает листы мышечных волокон, идущие перпендикулярно длинной оси, обычно чередующиеся между горизонтальной и вертикальной ориентацией. Такое расположение встречается на руках и щупальцах кальмаров, осьминогов и на большинстве языков млекопитающих. Радиальное расположение включает волокна, расходящиеся во всех направлениях от центра органа. Это находится в щупальцах патронный наутилус и в слоне хоботок (хобот). Круглая конструкция имеет кольца из сужающихся волокон вокруг длинной оси. Он присутствует во многих языках млекопитающих и ящериц, а также в щупальцах кальмаров.

Спиральные или наклонные волокна вокруг длинной оси обычно представлены двумя слоями с противоположными хиральность и оберните вокруг центральной части мускулатуры.

Механизм работы

В мышечном гидростате сама мускулатура создает движение и обеспечивает скелетную поддержку этого движения. Он может обеспечить эту поддержку, потому что он состоит в основном из несжимаемой «жидкости» и, таким образом, имеет постоянный объем. Наиболее важной биомеханической особенностью мышечного гидростата является его постоянный объем. Мышцы состоят в основном из водной жидкости, которая по существу несжимаема при физиологическое давление.В мышечном гидростате или любой другой структуре постоянного объема уменьшение в одном измерении вызовет компенсирующее увеличение по крайней мере в одном другом измерении.[3] Механизмы удлинения, изгиба и скручивания в мышечных гидростатах зависят от постоянства объема, влияющего на изменение формы при отсутствии жестких скелетных прикреплений.[4]Поскольку мышечные гидростаты имеют постоянный объем при увеличении или уменьшении диаметра, длина также должна уменьшаться или увеличиваться соответственно. Если смотреть на цилиндр, его объем равен: V = πr²l. Если радиус дифференцировать по длине: dr / dl = -r / (2l). Таким образом, если диаметр уменьшается на 25%, длина увеличивается. примерно на 80%, что может вызвать большое количество силы в зависимости от того, что животное пытается сделать. [5]


Удлинение и сокращение

Руки и щупальца кальмара Abralia veranyi

Удлинение в гидростатах вызвано сокращением поперечных или спиральных мускулатур. При постоянном объеме мышечных гидростатов эти сокращения вызывают удлинение продольных мышц. Изменение длины пропорционально квадрату уменьшения диаметра.[3] Следовательно, сокращения мышц, перпендикулярных продольной оси, вызовут уменьшение диаметра и, при сохранении постоянного объема, удлинят орган в длину. Укорочение, с другой стороны, может быть вызвано сокращением мышц, параллельных длинной оси, в результате чего орган увеличивается в диаметре, а также укорачивается в длину.

Мышцы, используемые для удлинения и укорачивания, поддерживают поддержку благодаря принципу постоянного объема и их антагонистическим отношениям друг с другом. Эти механизмы часто наблюдаются при захвате добычи лопатоносые лягушки и хамелеоны, а также в человеческий язык и многие другие примеры. У некоторых лягушек язык удлиняется до 180% от длины покоя.[6] Внеротовые языки имеют более высокое соотношение длины и ширины, чем внутриротовые языки, что позволяет увеличить длину больше (более 100% длины в состоянии покоя по сравнению с внутриротовыми языками при увеличении длины только примерно на 50%). Большая длина удлинения зависит от силы, создаваемой органом; по мере увеличения отношения длины к ширине удлинение увеличивается, а сила уменьшается.[1] Было показано, что кальмары используют удлинение мускульного гидростата при захвате и кормлении добычи.[7]

Гибка

Сгибание мышечного гидростата может происходить двумя способами, оба из которых требуют использования антагонистические мышцы.[1] Одностороннее сокращение продольной мышцы приводит к небольшому изгибу или его отсутствию и служит для увеличения диаметра мышечного гидростата из-за принципа постоянного объема, который необходимо соблюдать. Чтобы изогнуть структуру гидростата, одностороннее сокращение продольной мышцы должно сопровождаться сократительной активностью поперечных, радиальных или круговых мышц для поддержания постоянного диаметра. Сгибание мышечного гидростата также может происходить из-за сокращения поперечных, радиальных или круговых мышц, что уменьшает диаметр. Изгибание происходит за счет продольной активности мышц, которая поддерживает постоянную длину одной стороны конструкции.

Изгиб мышечного гидростата особенно важен для животных. языки. Это движение обеспечивает механизм, с помощью которого змея щелкает языком по воздуху, чтобы ощутить окружающую обстановку, а также отвечает за сложность человеческая речь.[2]

Придание жесткости

Укрепление мышечного гидростата достигается за счет того, что мышца или соединительная ткань гидростата сопротивляются изменениям размеров.[3]

Кручение

Кручение - это скручивание мышечного гидростата вдоль его длинной оси, которое создается спиралевидным или наклонным расположением мускулатуры.[3] которые имеют разное направление. Для кручения против часовой стрелки необходимо, чтобы правая спираль сжималась. Сжатие левой спирали вызывает кручение по часовой стрелке. Одновременное сжатие правой и левой спиралей приводит к увеличению сопротивления скручивающим силам. Наклонные или спиральные мышечные массивы в мышечных гидростатах расположены на периферии структуры, охватывая внутреннюю сердцевину мускулатуры, и это периферийное расположение обеспечивает больший момент, через который прилагается крутящий момент, чем более центральное место. Эффект спирально расположенных мышечных волокон, которые также могут вносить вклад в изменения длины мышечного гидростата, зависит от угла волокна - угла, который спиральные мышечные волокна составляют с длинной осью структуры.

Длина спирального волокна минимальна, когда угол волокна равен 54 ° 44 ', и имеет максимальную длину, когда угол волокна приближается к 0 ° и 90 °.[3] Подводя итог, это означает, что спирально расположенные мышечные волокна с углом волокон более 54 ° 44 'будут создавать силу как для скручивания, так и для удлинения, в то время как спирально расположенные мышечные волокна с углом волокон менее 54 ° 44' будут создавать силу как для скручивания, так и для растяжения. сокращение.[8] Угол волокон косого или спирального мышечного слоя должен увеличиваться при укорочении и уменьшаться при удлинении. Таким образом, помимо создания силы скручивания, слои косых мышц будут создавать силу для удлинения, которая может помочь поперечной мускулатуре противостоять продольному сжатию.

Примеры

Вест-индийский ламантин

Технологические приложения

Группа инженеров и биологов совместно разработала роботизированные манипуляторы, которые могут манипулировать и обрабатывать различные объекты разного размера, массы, текстуры поверхности и механических свойств. Эти роботизированные руки имеют много преимуществ по сравнению с предыдущими роботизированными руками, которые не основывались на мышечных гидростатах.[13]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Kier, W. M .; Смит, К. К. (1985). «Языки, щупальца и туловища: биомеханика движения в мышечно-гидростатах». Зоологический журнал Линнеевского общества. 83 (4): 307–324. Дои:10.1111 / j.1096-3642.1985.tb01178.x.
  2. ^ а б Смит, Кэтлин К .; Уильям М. Кир (январь – февраль 1989 г.). «Хоботы, языки и щупальца: движение с помощью скелетов мышц». Американский ученый. 77 (1): 28–35.
  3. ^ а б c d е Кир, В. М. (1985). «Мускулатура рук и щупалец кальмаров: ультраструктурные доказательства функциональных различий». Журнал морфологии. 185 (2): 223–239. Дои:10.1002 / jmor.1051850208.
  4. ^ Wainwright, P.C .; Беннетт А.Ф. (1992). "Механизм проекции языка у хамелеонов: II. Роль изменения формы в мышечном гидростате ". Журнал экспериментальной биологии 168: 23–40.
  5. ^ Александр, Р. МакН. (2003). Принципы передвижения животных. Принстон, Нью-Джерси: PrincetonUniversity Press.
  6. ^ Nishikawa, K. C .; Kier, W. M .; Смит, К. К. (1999). "Морфология и механика движения языка у африканской свиной лягушки Hemisus marmoratum: мышечная гидростатическая модель http://jeb.biologies.org/content/202/7/771.short ". Журнал экспериментальной биологии 202: 771–780.
  7. ^ а б Кир, В. М. (1982). «Функциональная морфология мускулатуры рук и щупалец кальмаров (Loliginidae)». Журнал морфологии. 172 (2): 179–192. Дои:10.1002 / jmor.1051720205.
  8. ^ Мейерс, Дж. Дж .; O'Reilly, J.C .; Monroy, J. A .; Нисикава, К. С. (2004). "Механизм вытягивания языка у микрогилидных лягушек. Журнал экспериментальной биологии 207: 21–31.
  9. ^ Прайс, Ребекка (декабрь 2003 г.). «Колумеллярная мышца новогастропод: прикрепление мышц и функция колумеллярных складок». Биологический бюллетень. 205 (3): 351–366. Дои:10.2307/1543298. JSTOR  1543298.
  10. ^ Matzner, H .; Gutfreund, Y .; Хохнер, Б. (2000). «Нервно-мышечная система гибкой руки осьминога: физиологическая характеристика». Журнал нейрофизиологии. 83 (3): 1315–1328. Дои:10.1152 / jn.2000.83.3.1315. PMID  10712459.
  11. ^ Yekutieli, Y .; Sumbre, G .; Flash, T .; Хохнер, Б. (2002). «Как двигаться без жесткого скелета? У осьминога есть ответы». Биолог (Лондон, Англия). 49 (6): 250–254. PMID  12486300.
  12. ^ Marshall, C.D .; Clark, L.A .; Рип, Р. Л. (1998). «Мышечный гидростат ламантина Флориды (Trichechus manatus latirostris): Функциональная морфологическая модель использования периоральной щетины ». Наука о морских млекопитающих. 14 (2): 290–303. Дои:10.1111 / j.1748-7692.1998.tb00717.x.
  13. ^ Уокер, И.Д .; Dawson, D.M .; Flash, T .; Grasso, F.W .; Hanlon, R.T .; Hochner, B .; Kier, W.M .; Pagano, C.C .; Rahn, C.D .; Чжан, К. (2005). "Роботы-манипуляторы Continuum, вдохновленные головоногими моллюсками ". Труды SPIE 5804: 303–314.